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Der Natur abgeschautes Nano-Design lässt Zellen mit Implantaten "reden"

Wenn Augenimplantate mit lebendigen Zellen kommunizieren würden, dann könnte das vielen Patienten eine zweite Operation oder einen Laser-Eingriff ersparen. Bis diese Idee verwirklicht wird und als Medizinprodukt auf den Markt gelangt, werden nach Schätzung von Christian Lingenfelder fünf bis sieben Jahre vergehen. Ein erster wichtiger Schritt ist dem Geschäftsführer des jungen, 2012 gegründeten Dornstädter Unternehmens Alamedics schon gelungen.

Zusammen mit zwei Partnern aus der Wissenschaft und einem weiteren Unternehmen aus der Region versucht Alamedics in einem Verbund mit dem Namen „BioSurf“ die „örtlich kontrollierte Steuerung des Zellbewuchses an okularen Implantaten durch aktive Beschichtung“ zu erreichen. Das Bundesforschungsministerium unterstützt das Vorhaben mit 1,4 Millionen Euro über einen Zeitraum von drei Jahren. Danach soll eine Art Prototyp entwickelt sein.

Aus passiven sollen bioaktive Oberflächen werden

Im Kern geht es darum, erklärt Projektkoordinator Lingenfelder, Nanostrukturen auf Implantate wie Linsen oder Stents aufzubringen. Gelangt ein Implantat ins Auge, dann soll - so stellt es sich der promovierte Humanbiologe mit MBA-Abschluss vor - eine möglichst gute Interaktion zwischen Implantat und Körper stattfinden. Damit soll verhindert werden, dass Prozesse unkontrolliert ablaufen und beispielsweise Zellen die Funktion der Implantate beeinträchtigen. „Diese Interaktion wollen wir verstehen und auch steuern mit neuen entwickelten Produkten." Der Clou des Vorhabens: Aus passiven Oberflächen von Implantaten sollen bioaktive Oberflächen gemacht werden, indem man deren Oberfläche verändert.

Bisher wurden Implantate mit einer passiven Schicht aus Nitrit, Nitrat oder Kohlenstoff überzogen. „Unsere Schichten kommunizieren tatsächlich mit Zellen über die auf das Implantat aufgebrachten Nanostrukturen. Über die Höhe der Strukturen sowie über die Abstände der Strukturen untereinander soll eine Reaktion bei der Zelle veranlasst werden." Den Machbarkeitsnachweis hat einer der wissenschaftlichen Kooperationspartner von Alamedics, das Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart, erbracht. Der Abteilung Neue Materialien und Biosysteme mit ihrem Leiter Joachim Spatz ist es gelungen zu zeigen, „dass man eine Art Irrgarten auf einem Objektträger über eine Nanostruktur anlegen kann und damit der Zelle den Weg vorschreiben kann, den sie von Punkt A nach Punkt B geht."

Die Zelle, erläutert Lingenfelder, sondiert ihre Umwelt, streckt Proteinfäden aus und überprüft den Untergrund auf seine Eignung zur Besiedelung. Mit diesen modifizierten Oberflächen „können wir mit der Zelle über deren (Transmembran-)Rezeptoren richtig kommunizieren. Wir können die Zelle dazu veranlassen, dass sie beispielsweise Proteine exprimiert oder sich teilt." 

Mottenaugen dienen als Vorbild

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Augenoberfläche einer dämmerungsaktiven Motte (obere Reihe). Ein periodisches Muster Sub-Lichtwellenlängen-großer Ausstülpungen bewirkt die antireflektierenden Eigenschaften des Mottenauges gegenüber Licht. Künstliche Mottenaugenstrukturen können in Quarzglas erzeugt werden (untere Reihe). Nanopartikel dienen hier als Schattenmaske zum Ätzen der Strukturen direkt in die Oberfläche des Materials. © MPI IS, Stuttgart

Diese Oberflächenstruktur haben sich die Stuttgarter Forscher aus der Natur von der Motte abgeschaut. Das Auge dieses Nachtfalters besitzt winzige Strukturen in Form säulenartiger Ausstülpungen auf der Oberfläche, die verräterische Reflexionen unterbinden und den Falter vor Feinden schützen. Damit ist es den Motten möglich, in der Dämmerung Nahrung zu finden und Fressfeinde zu erkennen, weil sie sich nicht mit einem Reflex auf ihren Facettenaugen verraten. Diese Mini-Säulen sind kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Sie sorgen im Endeffekt dafür, dass die Spiegelung des Lichts stark reduziert wird. Diese physikalische Dimension der biomimetischen Strukturen erhöht die Transmission, also die Durchlässigkeit des Lichts, und ermöglicht, so beschreibt es Projektkoordinator Christian Lingenfelder, letztendlich die Entwicklung hochbrechender, sehr dünner Materialien.

Im Projekt kommen sogenannte Mottenaugenstrukturen zum Einsatz. Dabei handelt es sich um winzige Säulen im Nanomaßstab, die in Höhe und Abstand variiert werden. Es wird deren Einfluss auf die Zelle studiert. Über das Ankoppeln von Proteinen können diese Nanostrukturen Interaktionen mit der Zelle ausüben.

Im Verbundvorhaben „BioSurf" geht es darum, Implantate zu erforschen und zu untersuchen, die das Anwachsen von Epithelzellen auf verschiedenen Augenimplantaten stark hemmen oder im Idealfall ganz unterbinden. Damit soll die uneingeschränkte Sehkraft nach der Implantation erhalten werden. Es handelt sich hierbei um eine gesundheitsökonomisch bedeutsame Indikation. Denn neben Krankheiten sind es vor allem altersbedingte Faktoren, die das Sehvermögen beeinträchtigen oder gar zu seinem Verlust führen können.

Altersbedingte Augenkrankheiten gesundheitsökonomisch relevant

"Altersbedingte Augenerkrankungen haben eine wachsende Bedeutung für die Gesundheit der Bevölkerung im Gegensatz zu vielen anderen Volkskrankheiten“, vor allem das Glaukom (umgangssprachlich "Grüner Star") und die altersbedingte Makula-Degeneration. So steht es im Weißbuch der Deutschen Fachgesellschaft für Augenheilkunde 2012 (S. 6). In Deutschland gehen die Fälle in die Millionen. Das Weißbuch schätzt die Glaukom-Fälle einschließlich der Frühstadien auf 2,2 Millionen, Katarakt-Fälle (umgangssprachlich "Grauer Star") auf 9,8 Millionen. Jährlich werden allein in Deutschland 650.000 Patienten einer Katarakt-Operation unterzogen.

Eine Möglichkeit, die Funktionsfähigkeit des Auges bei einer Katarakterkrankung wieder herzustellen, besteht im Austausch der eingetrübten menschlichen Augenlinse gegen eine Kunstlinse - ein in Deutschland häufig praktizierter operativer Eingriff. Das Problem: Trotz kurzzeitiger Wiederherstellung des Sehvermögens verschlechtert sich bei etwa der Hälfte der operierten Patienten bereits nach wenigen Jahren das Sehvermögen erneut. Dieses Phänomen, der sogenannte „Nachstar“, ist die Folge eines unkontrollierten Wachstums von Zellen, die den Weg des Lichts ins Auge blockieren. Das führt dazu, dass sich der Lichteinfall verringert und damit die Sehschärfe beeinträchtigt wird, was eine Nachbehandlung mittels Laser oder einen erneuten chirurgischen Eingriff erfordert.

Das Glaukom kann unbehandelt den Sehnerv schädigen und zur Erblindung führen. Ursache dafür ist ein erhöhter Augeninnendruck, hervorgerufen durch eine Flüssigkeit (Kammerwasser), die nicht abfließen kann. Eine wirkungsvolle Therapie ist die Einpflanzung eines kanalartigen Stents, der den Abfluss der Flüssigkeit unterstützt und das Auge vor zu hohem Innendruck bewahrt. Wie beim Katarakt ist auch bei operierten Glaukom-Patienten das Problem mitsamt Folgen ähnlich: Unkontrollierter Zellbewuchs verschließt das Implantat, verhindert den Abfluss der Flüssigkeit und macht eine weitere Operation unumgänglich.

Die BioSurf-Projektanten (v.l.): Dr. Friedrich Offenhäuser, Offenhäuser und Partner, Prof. Dr. Joachim Spatz, Dr. Christoph Morhard, beide MPI, Nadine Hagedorn, Frederik Wintermantel, beide Alamedics, WenWen Chen, MPI, Dr. Martin Udart, ILM, und Projektkoordinator Dr. Christian Lingenfelder, Alamedics
Die BioSurf-Projektanten (v.l.): Dr. Friedrich Offenhäuser, Offenhäuser und Partner, Prof. Dr. Joachim Spatz, Dr. Christoph Morhard, beide MPI, Nadine Hagedorn, Frederik Wintermantel, beide Alamedics, WenWen Chen, MPI, Dr. Martin Udart, ILM, und Projektkoordinator Dr. Christian Lingenfelder, Alamedics © Alamedics

Bei Erfolg Ausbau als Technologieplattform

Ist BioSurf erfolgreich und lassen sich oberflächenmodifizierte Implantate, die einen unkontrollierten Zellwuchs verhindern, entwickeln, könnten Glaukom- und Katarakt-Patienten weitere Operationen erspart bleiben. Der Ansatz, so schwebt es Alamedics-Geschäftsführer Christian Lingenfelder vor, lässt sich als neue Technologieplattform auch auf andere medizinisch relevante Bereiche wie Kardiologie und Orthopädie ausweiten. Und schließlich, das wäre die forschungspolitische Dimension, könnte das Vorhaben dazu beitragen, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Medizintechnik-Industrie zu erhöhen.

Die wissenschaftlichen Partner von „BioSurf" sind das Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, dessen Abteilungsleiter Joachim Spatz hohes Ansehen im Bereich der Erforschung der Interaktion zwischen biologischen Systemen und künstlich generierten Oberflächen genießt. Das An-Institut der Ulmer Universität ILM (Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Messtechnik) wird in dem Verbundvorhaben das Zusammenspiel zwischen lebenden Zellen und Implantatoberflächen untersuchen. Das Heidenheimer Unternehmen Offenhäuser + Berger GmbH, spezialisiert auf Laserschutztechnik, innovative Optiken und optische Filter, soll zusammen mit der Dornstädter Alamedics die unterschiedlichen Schritte des Produktionsprozesses umsetzen. Obendrein will sich das Heidenheimer Unternehmen mit der Bearbeitung von Materialien ein neues Geschäftsfeld aufbauen.

Literatur:
Lohmüller, T.,  Aydin, D., et al. Nanopatterning by block copolymer micelle nanolithography and bioinspired applications. In: Biointerphases 6 (1), March 2011 DOI: 10.1116/1.3536839

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/der-natur-abgeschautes-nano-design-laesst-zellen-mit-implantaten-reden